基于Proximal-Newton-Kantorovich凸规划的空天飞行器实时轨迹优化

针对空天飞行器大气层内上升段实时轨迹优化问题，提出一种基于Proximal-Newton-Kantorovich凸规划的轨迹优化方法。首先，应用Newton-Kantorovich迭代方法将轨迹优化问题转化为一系列的子问题，每个子问题都是一个线性最优控制问题；其次，针对Newton-Kantorovich迭代方法忽略运动方程中的高阶信息，导致难以收敛这一问题，提出Proximal-Newton-Kantorovich迭代方法，在子问题的性能指标中加入邻近规则化项，改善了Newton-Kantorovich迭代方法的收敛性；最后，将子问题离散为二阶锥规划问题，并应用内点法进行求解。提出的Proximal-Newton-Kantorovich凸规划方法是一种求解非线性轨迹规划问题的可行途径。理论分析表明，Proximal-Newton-Kantorovich迭代方法的收敛结果一定是轨迹优化问题的局部最优解。数值实验表明，此方法的计算时间在毫秒级。     

效益和公平性的多跑道航班调度精确算法研究

机场终端区航班拥堵延误现象日趋严重.机场管理者,一方面要减少航班总延迟成本,另一方面也要维持航空公司间竞争公平性.为多跑道航班协同调度问题建立双目标规划模型,为了精确求解优化问题的Pareto前沿,开发出epsilon约束算法.最后通过算例来说明模型的可行性和算法的有效性.利用数学规划理论建模并开发精确求解算法,为机场资源优化研究提供重要参考.     

单枢纽机场选址与航线网络规划综合优化

枢纽机场选址与航线网络优化问题是近年来受到民航业界广泛关注的热点问题之一。考虑到枢纽机场建设对航线网络的反作用,提出了单枢纽机场选址与航线网络规划综合优化问题。为了描述该问题,建立了基于空中交通均衡分配的成本最优的数学规划模型。最后,给出了求解该模型的迭代优化算法,并进行了算例验证。     

结构动力学与颤振约束下无人机机翼优化设计

提出了同时考虑结构动力学约束和颤振约束的优化设计方法，建立了利用规划优化算法求解问题的流程，并将其融入大型CAE软件系统HAJIF2013中，研究了优化问题中目标函数和约束条件的选取方式。以某型无人机机翼颤振模型为算例，利用拉盖尔迭代方法自动计算颤振速度，并对优化算法的有效性进行了验证。研究表明，所提出的优化设计方法有效，实现了整个优化求解流程的自动化，对工程设计具有指导意义。     

基于移动渐近线方法的结构多刚度拓扑优化设计

基于人工密度指数法,结合序列分层优化方法和折衷规划法,提出并建立了一种求解复杂工况下连续体结构多刚度拓扑优化设计问题的多目标混合优化策略。连续体结构的多刚度拓扑优化设计问题本质上是一种非线性数学规划问题,以数学规划方法中的移动渐近线方法为基础,提出一种具有较佳全局收敛性和单调性特点的序列凸规划近似方法,该法对于目标函数复杂和多约束的拓扑优化问题具有更好的适定性。通过典型的数值算例证明了所研究方法的有效性。     

基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法

可重复使用飞行器一般采用大升阻比气动外形，再入轨迹三维剖面规划方法可充分发挥这类飞行器固有的机动能力。计算量大是制约三维剖面规划应用的难题，为提高计算效率，提出了一种基于凸优化的再入轨迹三维剖面规划方法。首先，分析运动方程特性，利用定义新的控制变量、约束松弛、连续线性化等技术，将原始非凸的三维剖面规划问题转化为一个凸优化问题。其次，将指令反解步骤嵌入至序列凸化算法中，通过迭代求解凸优化子问题，获得原问题的可行解。数值仿真结果表明所提方法具有较高的求解精度和确定的收敛性质，飞行器的机动能力得到充分发挥；与伪谱法的结果对比表明凸优化方法在轨迹规划问题上具有更高的求解效率。     

基于混合规划策略的自由漂浮冗余机械臂减振运动规划(英文)

对自由漂浮柔性冗余机械臂系统的减振运动规划问题进行研究。首先,采用拉格朗日方法建立系统的动力学模型,并给出了减振运动规划的模型。其次,提出一种基于高斯伪谱法与直接打靶法的混合规划策略,用于求解运动规划问题。先利用高斯伪谱法将运动规划问题转化为一个非线性参数优化问题,并用遗传算法确定近似解,随后利用直接打靶法建立优化模型,将得到的近似解作为优化变量的初值,并采用序列二次规划算法求得精确解。最后,对算例进行分析,验证了基于混合规划策略得到的关节运动轨迹能够明显减小柔性臂杆的全局振动以及残余振动。数值计算的结果表明该方法对减振运动规划问题的求解是有效且稳定的。     

用几何规划的方法研究飞机总体参数的优化设计

寻求一个工程设计中可以接受的、能够满足各种设计约束条件的优化设计途径,一直是飞机设计部门努力追求的目标。由此可见,非线性规划是重要而困难的研究课题。本文用几何规划的方法求解一般的非线性规划问题,利用Duffin公式近似求目标函数和约束条件,经过正定单项式的对数化,将非线性问题线性化,并将之用于飞机整体设计的参数优化选取问题,算例结果表明,符合飞机总体设计阶段对计算的要求,具有一定的理论意义和应用价值。     

基于几何代数理论的转子堆叠装配多目标优化

在航空发动机多级转子装配过程中,优化的转子堆叠装配方案对提高转子装配质量及安全运行有着重要的意义。为了提高转子安装相位优化效率和装配质量,基于几何代数理论并结合多目标优化方法提出了一种高效求解最优堆叠装配方案的方法。首先,对几何代数和齐次矩阵的计算效率进行对比验证,并基于几何代数理论改进多级转子堆叠装配误差传递模型;其次,针对航空发动机转子安装相位角度的装配要求,建立转子同心度和初始不平衡量的多目标优化模型;最后,采用非支配排序遗传算法求解该堆叠装配多目标优化问题,获得符合工艺要求的最优装配方案。算例结果表明,优化后的转子装配方案比随机装配方案同心度降低65.10%,初始不平衡量降低97.88%。     

基于MPI的大规模变量结构优化技术研究

针对大规模变量结构优化问题,研究了基于虚载荷法的位移敏度求解理论,提出了惩罚函数随优化迭代次数自适应变化的二次扩展内罚函数法,并结合牛顿法作为优化算法.采用MPI并行技术实现了敏度求解的局部并行计算,解决了大规模变量结构优化技术中的规模和效率问题.采用FORTRAN语言在HAJIF2013系统上对上述方法编程实现,实例表明,优化方法能够快速、稳定收敛到最优解,以及基于虚载荷法的位移敏度解析求解理论的高效性和准确性.     

非线性数学规划在飞行力学中的应用

主要介绍非线性数学规划在飞行器轨迹优化中的应用，处理方法是将每一个状态变量用三次多项式表示，状态微分方程就化成一组代数方程，从而使飞机轨迹优化问题化成了离散的数学规划问题，再用广义Ｌａｇｒａｎｇｅ乘子法求解，该方法对一般的轨迹优化问题易于编程实现。     

推进系统综合性能寻优控制研究

研究了包括进气道和发动机在内的推进系统综合控制。采用了序列线性规划方法进行系统寻优,利用推进系统矩阵进行多次线性规划来求解非线性优化问题。利用当前的实际机载计算机完成了硬件在回路仿真试验,仿真表明研究的性能寻优控制方法能够较大幅度的提高推进系统整体性能,控制软件完全满足实时计算要求。     

一种非线性规划的求解方法与燃气发生器的设计

阐述了一种新的非线性规划的求解方法。即对每个参变量在其可能变化区间内，按照特定的步长依次代入约束方程来观察是否满足约束条件，从而求得若干组可行解。变量变化的步长通过非线性方程组各个方程在近似结点的全微分的分析获得。步长的确定是本方法的关键。文中并示范性列举了本方法在燃气发生器设计中的作用。     

结构外形优化的一种有效方法

本文基于约束函数及目标函数对节点坐标与元件截面两类变量不同的非线性性质,将目标函数对元件截面变量及节点坐标变量在正变量空间内进行不完全的二阶台劳展开,而约束函数则对元件截面变量之逆变量、节点坐标变量之正变量进行线性台劳展开,从而得到一对于原问题近似精度较高的严格凸的近似问题,用对偶规划求解这一变量可分离的显式的凸问题是简便的。对算例的计算表明该方法是相当有效的。     

工程数值优化方法研究进展

回顾与分析了工程数值优化方法研究的发展历程 ,着重介绍与讨论了优化问题的几种数学列式、近似问题的保真度与近似函数 ,以及复杂优化问题的求解策略等。指出优化问题的对偶列式变式 DFOP-V2与高精度多点近似函数和二级近似概念结合而产生的数值优化解法 ,具有通用性 ,高的计算效率 ,并易于与市场现有分析软件结合使用等显著优点     

乘子罚函数法在航天飞机机翼外形优化设计中的应用

本文采用乘子罚函数法,在满足高超声速配平和低亚声速进场着陆的要求以及几何约束条件下,寻求在不同重心位置时使航天飞机机翼质量极小的气动外形。计算结果表明,航天飞机机翼外形优化设计具有重要意义。     

基于脉冲暂态混沌神经网络的可靠度分析方法

工程中计算结构可靠度系数β可以看做一个优化问题。考虑极限状态函数的非线性程度很高且存在非凸失效域时,传统的求解非线性优化方法,如序列二次规划（SQP）法、罚函数法和梯度投影法等都有其使用范围和局限性,无法解决局部极小解问题。如何避免局部极小解问题并且兼顾计算精度和效率目前仍很难处理。提出一种新的可靠度计算方法：将求解转化为带有约束条件的非线性规划问题,利用罚函数法转化成无约束条件的非线性规划问题,引入脉冲暂态混沌神经网络（PTCNN）模型快速有效地进行全局寻优,从而解决具有局部极小解的约束非线性规划问题。最后采用不同类型的非线性极限状态函数算例进行算法验证,验证该方法在处理高维、高非线性、不可微、非凸失效域问题时具有可行性、高效性。     

Indirect Radau pseudospectral method for the receding horizon control problem

To solve the receding horizon control (RHC) problem in an online manner, a novel numerical method called the indirect Radau pseudospectral method (IRPM) is proposed in this paper. Based on calculus of variations and the first-order necessary optimality condition, the RHC problem for linear time-varying (LTV) system is transformed into the two-point boundary value problem (TPBVP). The Radau pseudospectral approximation is employed to discretize the TPBVP into well-posed linear algebraic equations. The resulting linear algebraic equations are solved via a matrix partitioning approach afterwards to obtain the optimal feedback control law. For the nonlinear system, the linearization method or the quasi linearization method is employed to approximate the RHC problem with successive linear approximations. Subsequently, each linear problem is solved via the similar method which is used to solve the RHC problem for LTV system. Simulation results of three examples show that the IRPM is of high accuracy and of high compu-tation efficiency to solve the RHC problem and the stability of closed-loop systems is guaranteed.